阻力与推进课程设计.docx
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阻力与推进课程设计
螺旋桨课程设计
专业：
船舶与海洋工程
班级：
船舶0804
姓名：
唐彬
学号：
200871039
指导教师：
李铁骊
目录
1设计任务书……………………………………………………………………………………3
2设计过程……………………………………………………………………………………….4
2.1船型主要参数………………………………………………………………………………………..4
2.2主机参数……………………………………………………………………………………………....5
2.3推进因子的决定…………………………………………………………………………………….6
2.4可达最大航速的计算…………………………………………………………………………….6
2.5空泡校核………………………………………………………………………………………………..7
2.6强度校核………………………………………………………………………………………………..9
2.7螺距修正…………………………………………………………………………………………………10
2.8重量及惯性矩计算………………………………………………………………………………….11
2.9敞水性征曲线确定………………………………………………………………………………….11
2.10系柱特性计算……………………………………………………………………………………….12
2.11航行特性计算……………………………………………………………………………………….12
2.12螺旋桨计算总结……………………………………………………………………………………14
1设计任务
1.1船舶阻力估算及有效马力预报
1.2螺旋桨图谱初步设计问题
螺旋桨设计图谱，初步确定主机功率及转速
选定主机额定功率及转速
1.3螺旋桨图谱终结设计问题、
其中包括：
推进因子的决定
可达到最大航速的计算
空泡校核
强度校核
螺距修正
重量及惯性矩计算
敞水性征曲线的确定
系柱特性计算
航行特性计算
螺旋桨计算总结
1.4螺旋桨总图的绘制
用1号（或2号）图纸完成螺旋桨总图的绘制。
1.5设计数据
排水量：
21000吨，航速：
15.5节。
2设计过程
2.1船体主要参数
船型：
单桨、球首、球尾、流线型挂舵、尾机型远洋货船。
设计水线长Lwl=144.66m
垂线间长Lpp=140.45m
型宽B=21.87m
型深H=12.54m
设计吃水T=8.93m
方形系数CB=0.747
排水量Δ=21000t
桨轴中心距基线距离Zp=2.96m
根据海军系数法，参照母型船数据可得到设计船在各载况下的有效功率如表2.1.1所示：
表2.1.1设计船有效功率数据表
航速
V/kn
12
13
14
15
16
17
有效功率PE/hp
满载
2057
2682
3441
4413
5590
7089
压载
1797
2375
3038
3680
4414
5290
110%满载
2263
2951
3785
4854
6149
7798
根据以上数据可作出设计船的有效功率曲线，如图2.1.1所示：
图2.1.1设计船有效功率曲线
从曲线上可读取，当V=15.5kn时，对应的有效功率
=4956hp。
因此，设计船的总阻力为
/V=4956/（1.014*15.5*0.5144）=613（kgf）。
2.2主机参数
2.2.1型号：
MANB&W12S35MC
2.2.2最大持续功率：
8550hp
2.2.3转速N：
使用螺旋桨初步设计的方法，初步选定螺旋桨直径D，取不同转速，根据MAU4-55的
图谱列表计算。
计算过程如表2.2.1所示：
表2.2.1螺旋桨初步设计（最佳转速的确定）
序号
项目
单位
数据
1
螺旋桨直径D（初步估计）
m
4.796
2
ηH=（1-t）/（1-ω）
1.1923
3
VA=（1-ω）V
kn
10.48
4
PE（初步估计）
hp
4956
5
假定一组转速N
r/min
140
145
150
155
6
直径系数δ=ND/VA
64.1
66.4
68.7
70.9
7
查MAU4-55图谱，由δ等值线与最佳效率曲线的交点得到
P/D
0.735
0.719
0.706
0.701
η0
0.586
0.575
0.566
0.555
√BP
5.511
5.756
5.960
6.178
8
PD=BP2VA5/N2
5944
6595
7084
7660
9
主机马力PS=PD/（ηS·ηR）
hp
6127
6799
7303
7897
10
螺旋桨能克服的有效马力PTE=PD·η0·ηH
hp
4156
4524
4778
5072
根据上表所得数据可作出确定最佳转速曲线，如图2.2.1所示，根据图中交点可知，最佳转速N=153r/min。
图2.2.1最佳转速确定曲线
2.2.4旋向：
右旋。
2.3推进因子的决定
根据泰洛公式ω=0.5CB-0.05计算伴流分数ω=0.324
根据商赫公式t=kω，取k=0.6计算推力减额分数t=0.194
取相对旋转效率ηR=1.0
船身效率ηH=（1-t）/（1-ω）ηH=1.1923
2.4可达到最大航速计算
采用MAU4叶桨图谱进行计算。
取功率储备10%，轴系效率
=0.97
螺旋桨敞水收到马力：
=8550×0.9×ηS×ηR=10847×0.9×0.97×1.0=7461.53（hp）
根据MAU4-40，MAU4-55，MAU4-70的
图谱列表计算。
如表2.4.1所示：
表2.4.1
图图谱计算表
项目
单位
数值
假定航速V
kn
13
14
15
16
VA=（1-ω）V
kn
8.788
9.464
10.140
10.816
BP=NPD0.5/VA2.5
57.727
47.964
40.366
34.351
BP0.5
7.598
6.926
6.353
5.861
MAU4-40
δ
85.978
79.796
74.480
69.505
P/D
0.610
0.631
0.643
0.662
η0
0.518
0.541
0.564
0.587
PTE=PDηHη0
hp
4547
4746
4951
5150
MAU4-55
δ
84.255
77.584
72.464
67.670
P/D
0.649
0.677
0.693
0.710
η0
0.499
0.523
0.548
0.570
PTE=PDηHη0
hp
4439
4651
4874
5074
MAU4-70
δ
83.981
77.322
71.528
66.577
P/D
0.660
0.684
0.712
0.737
η0
0.482
0.505
0.527
0.548
PTE=PDηHη0
hp
4289
4496
4687
4876
根据上表计算结果，可绘制
对V的曲线，如图2.4.1所示：
图2.4.1MAU4叶桨图谱设计计算结果
从PTE-V曲线与船体满载有效马力曲线的交点，可获得不同盘面比所对应的设计航速及螺旋桨最佳要素P/D、D及η0。
如表2.4.2中所示：
表2.4.2MAU4叶桨图谱设计计算的最佳要素
MAU
Vmax/kn
P/D
δ
D/m
η0
4-40
15.58
0.648
71.562
4.927
0.577
4-55
15.51
0.701
70.033
4.798
0.560
4-70
15.30
0.727
69.972
4.731
0.555
2.5空泡校核
按柏利尔空泡界限线中的商船上限线，计算不发生空泡的最小展开面积比。
桨轴埋深h=T-ZP=8.93-2.96=5.97m。
p0-pV=pa+γhS-pV=10330+1025×5.97-174=16275.25（kgf/m2）
计算温度t=15ºC，PV=174kgf/㎡，PD=7461.53hp，ρ=104.63kgf·s2/m4,列表计算，如表2.5.1所示：
表2.5.1空泡校核计算表
项目
单位
数值
MAU4-40
MAU4-55
MAU4-70
Vmax
kn
15.58
15.51
15.30
VA=0.5144Vmax（1-ω）
m/s
5.419
5.392
5.321
V′=（0.7πND/60）2
（m/s）2
763.381
723.930
703.853
V0.7R2=VA2+V′
（m/s）2
792.747
753.008
732.167
σ=（po-pv）/0.5ρV0.7R²
0.392
0.413
0.425
τc（查图6-20）
0.158
0.163
0.165
T=PD•ηo•75/VA
kgf
59586
58116
58369
AP=T/0.5ρV0.7R²•τc
m2
9.091
9.070
9.222
AE=AP/（1.067-0.229P/D）
m2
9.897
10.006
10.241
AE/Ao=AE/（πD²/4）
0.519
0.553
0.583
根据上表中的计算结果，可作出空泡校核结果图，如图2.5.1所示，从图中可得不发生空泡的最小盘面比，以及其所对应的最佳螺旋桨要素，如表2.5.2所示：
表2.5.2不发生空泡的螺旋桨最佳要素表
AE/AO
P/D
D（m）
ηO
Vmax（kn）
0.553
0.702
4.796
0.559
15.50
图2.5.1空泡校核结果
2.6强度校核
按2001年《规范》校核t0.25R及t0.6R,（见下表），应不小于按下式计算之值：
，
，
。
计算功率Ne=10847×0.97=10522（hp）=5319.697814KW。
Ad=AE/AO=0.553，P/D=0.702，ε=8°，G=7.6g/cm3，N=ne=153r/min
b0.66R=0.226DAd/（0.1Z）=0.226×4.796×0.5553/0.4=1.4991（m）
b0.25R=0.7212b0.66R=1.0812mb0.6R=0.9911b0.66R=1.4858m。
列表进行强度校核，如表2.6.1所示：
表2.6.1强度校核计算表
项目
单位
数值
0.25R
0.60R
弦长b
m
1.0812
1.4858
K1
635
207
K2
250
151
K3
1410
635
K4
4
34
A1=D/P（K1-K2D/P0.7）+K3D/P0.7-K4
2400.815
858.715
Y=1.36A1Ne/（Zbne）
26251.01552
6832.4193
K5
82
23
K6
34
12
K7
41
65
K8
380
330
A2=D/P（K5+K6ε）+K7ε+K8
925.011
564.427
材料系数K（铝镍青铜）
1.179
1.179
X=A2GAdne²D³/（1010Zb）
0.2322
0.1031
t=（Y/（K-X））½
mm
166.511
79.690
实际桨叶厚度按t1.0R=0.0035D=16.78mm与t0.25R=166.51mm连直线决定，该直线如图2.6.1所示：
图2.6.1实际桨叶厚度确定直线
根据以上直线的函数，可得实际桨叶各半径处厚度分布如表2.6.2所示：
表2.6.2实际桨叶各半径处厚度表
t1.0
16.8
mm
t0.25
166.5
mm
t0.66
84.7
mm
t0.2
176.5
mm
t0.3
156.5
mm
t0.4
136.6
mm
t0.5
116.6
mm
t0.6
96.6
mm
t0.7
76.7
mm
t0.8
56.7
mm
t0.9
36.8
mm
t0.95
26.8
mm
·表中t的角标表示螺旋桨半径R的倍数。
2.7螺距修正
由（PD/N）1/3=（7461.53/153）1/3=3.6535根据《船舶原理（下）》中图8-40查得桨轴直径dt=423mm，毂径dh=（1.8～2.1）dt=2.041×423=863.28（mm），则毂径比
dh/D=863.28÷4796=0.18，故无需对此项螺距进行修正。
由于实桨厚度小于标准桨厚度，故需对厚度差异进行修正。
最大叶宽bmax=0.226DAE/0.1Z=0.226×4.796×0.553/0.4=1.4991（m）；
设计桨（t/b）′0.7R=t0.7R/0.9964bmax=0.0767/（0.9964×1.4991）=0.05134；
取MAU4-55为标准桨（t/b）0.7R=0.0171D/（0.9964×0.31075）D=0.05523；
∴
∴
因此，修正后的螺距比为
2.8重量及惯性矩计算
2.8.1桨叶重量Gb（kgf）及惯性矩Ib（kgf·cm·s²）
已知：
材料重量密度γ=7800kgf/m³；桨叶最大宽度bmax=1.7132m。
采用辛普生积分法计算桨叶重量可得Gb=6226.2369kgf；桨叶惯性矩为
=126044.4kgf·cm·s²。
2.8.2桨榖重量Gh（kgf）及Ih（kgf·cm·s²）（由螺旋桨图绘制完成后进行）
轴毂配合锥度K=1/13=0.0769；毂长L0=2.5dt=1.0575m；桨毂直径d=0.86328
根据辛普生积分法，可得Gb=3552.1763；
=8650.5324kgf·cm·s²。
2.8.3螺旋桨总重G
G=Gb+Gb=9778.4131kgf。
2.8.4螺旋桨总惯性矩
I=
=134694.98kgf·cm·s²。
2.9敞水性征曲线确定
由MAU4-55、MAU4-70、P/D=0.7053的敞水性征曲线内插得到MAU4-55.328、P/D=0.7053的敞水性征数据，即推力系数，转矩系数和敞水效率。
如表2.9.1所示：
表2.9.1设计桨敞水性征数据
J
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
KT
0.309
0.281
0.252
0.215
0.177
0.139
0.095
0.042
10KQ
0.338
0.316
0.289
0.260
0.223
0.187
0.145
0.103
η0
0.000
0.141
0.277
0.393
0.506
0.594
0.627
0.455
根据上表数据，可作出设计桨的敞水性征曲线，如图2.9.1所示：
图2.9.1设计桨敞水性征曲线
2.10系柱特性计算
由敞水性征曲线得：
当J=0时，KT=0.308，KQ=0.0335。
计算功率PD=7461.53×0.97=7237.6841（hp）
系柱推力减额分数t0=0.04
主机转矩
系柱推力
螺旋桨转速
2.11航行特性计算
取转速为153r/min,143r/min,133r/min进行计算，结果如表2.11.1所示：
表2.11.1航行特性计算表
项目
单位
数值
V
kn
12
13
14
15
16
17
VA=0.5144（1-ω）V
m/s
4.173
4.521
4.868
5.216
5.564
5.911
N（r/min）
=153
J=VA/nD
0.3412
0.3697
0.3981
0.4265
0.4550
0.4834
KT
0.198
0.187
0.17667
0.165
0.154
0.142
KQ
0.0244
0.0233
0.0222
0.0212
0.0202
0.0193
η0
0.441
0.473
0.504
0.534
0.561
0.583
PTE=KTρn2D4（1-t）V/145.6
hp
4733
4854
4927
4940
4896
4805
Ps=KQ2пnρn2D5/75ηSηR
hp
9265
8845
8435
8056
7693
7321
N（r/min）
=143
J=VA/nD
0.3651
0.3955
0.4259
0.4563
0.4867
0.5172
KT
0.189
0.178
0.164
0.153
0.141
0.128
KQ
0.0235
0.0223
0.0211
0.0202
0.0191
0.0180
η0
0.468
0.501
0.537
0.562
0.585
0.604
PTE=KTρn2D4（1-t）V/145.6
hp
3949
4019
3998
3995
3913
3797
Ps=KQ2пnρn2D5/75ηSηR
hp
7277
6917
6546
6267
5941
5578
N（r/min）
=133
J=VA/nD
0.3925
0.4252
0.4579
0.4906
0.5233
0.5561
KT
0.179
0.166
0.152
0.139
0.126
0.113
KQ
0.0224
0.0212
0.0201
0.0190
0.0177
0.0163
η0
0.498
0.533
0.563
0.588
0.607
0.621
PTE=KTρn2D4（1-t）V/145.6
hp
3228
3246
3212
3138
3034
2891
Ps=KQ2пnρn2D5/75ηSηR
hp
5590
5303
5029
4744
4425
4071
将上述数据绘制成设计桨航行曲线，如图2.11.1所示：
由图可得：
1压载航行时：
最大航速Vmax=16.51kn,
主机马力PS=7502hp；
2满载航行N=153r/min时：
最大航速Vmax=15.53kn,
主机马力PS=7887hp；
3100％超载航行时：
最大航速Vmax=15.07kn,
主机马力PS=8030hp；
综上，与设计要求基本一致。
图2.11.1航行特性曲线
2.12螺旋桨计算总结
表2.12.1螺旋桨设计总结表
项目
数值
螺旋桨直径D
4.796m
螺距比P/D
0.7053
型式
MAU
叶数Z
4
盘面比AE/A0
0.553
纵倾角ε
8°
螺旋桨效率η0
0.559
设计航速Vmax
15.50kn
毂径比dh/D
0.18
旋向
右旋
材料
铝镍青铜
重量G
9778.413kg
惯性矩I
134695kgf·cm·s²
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